MWORKS电力电子与电机系统建模与仿真 课件 第一章 MWORKS仿真平台介绍

第一章MWORKS仿真平台介绍目录1.1MWORKS概述1.2Syslab介绍1.3Syslab的基本操作1.4从MATLAB到Syslab1.5Sysplorer介绍1.6Sysplorer的基本操作MWORKS概述基于模型的系统工程、信息物理融合系统、数字孪生及数字化工程等前沿技术持续突破创新MWORKS仿真平台作为新一代科学计算与系统仿真平台已构建覆盖装备全生命周期的数智化基础框架可完整实现信息物理融合系统从概念设计、多学科建模、虚拟仿真、数值计算到工程验证的全链条技术功能延伸至装备运维阶段的智能决策支持为装备数字化转型提供了完整的解决方案1.1MWORKS概述MWORKS特性1.基于Julia语言：依托高性能计算语言Julia构建科学计算环境Syslab。2.支持Modelica规范：采用多领域物理统一建模规范Modelica，自研系统建模仿真环境Sysplorer。3.全栈功能体系：完整复现了MATLAB/Simulink从基础计算平台到专业工具箱的全栈功能。4.架构革新：通过架构革新实现了对传统仿真工具的功能拓展与技术超越。1.1MWORKS概述MWORKS的组成（四大产品）1.1MWORKS概述基础资源模型库(Models)：提供多种基础模型，支持用户扩展，降低开发门槛。基础函数库(Functions)：提供基础数学和绘图函数，支持教学和科研。模块化工具箱体系：涵盖人工智能、信号处理、雷达系统建模等十大专业领域，支撑复杂工程系统的多学科融合创新。1.1MWORKS概述Syslab介绍作为新一代科学计算环境，Syslab以高性能科学计算语言Julia为核心构建多范式协同计算架构，聚焦算法开发、数值计算、数据分析与可视化等核心场景，为信息域计算分析提供通用化编程平台。该平台通过融合Python、M语言及C/C++、Fortran、R等多语言互操作能力，结合自研的专业工具箱，形成覆盖多学科领域的计算解决方案。1.2Syslab介绍Syslab通用化编程平台架构通用编程与算法开发采用Julia语言，提供交互式编程环境，兼容Python和M语言。高性能数学计算引擎内置数学函数，通过Julia的编译机制提供高效计算能力。数据分析与可视化支持多种数据格式的导入导出和可视化，可生成专业图形。内置系列专业工具箱内置信号处理、控制系统、人工智能等专业工具箱。一站式科学计算环境提供完备的交互式编程环境，开箱即用。高可用函数库组织开发了高质量、高性能的科学计算函数库。丰富的多语言支持提供多语言数学环境，无须安装MATLAB®，即可实现原有代码的快速重用。信息物理一体化与Sysplorer深度融合，实现信息物理系统的一体化研制。1.2Syslab介绍Syslab的基本操作以64位Windows系统为例，安装好MWORKS.Syslab2025a后，在桌面上会显示MWORKS.Syslab2025a(x64)图标，双击该图标即可打开Syslab。1.3Syslab基本操作Syslab默认布局打开文件夹操作步骤步骤一：打开资源管理器在左侧边栏中，找到并单击“资源管理”按钮，打开文件资源管理器界面。步骤二：选择目标文件夹在弹出的文件资源管理器窗口中，浏览并定位到您想要打开的文件夹。步骤三：确认打开选中目标文件夹后，单击窗口右下角的“打开”按钮，即可在Syslab中打开该文件夹。1.3.1文件夹基本操作新建文件夹1.点击新建按钮：在资源管理器中找到并单击“新建文件夹”按钮。2.输入名称：在弹出的输入框中，输入设置的文件夹名称。3.确认创建：按Enter键或点击空白区域完成创建。新建文件1.点击新建按钮，选择文件类型。2.输入文件名后按回车确认。1.3.1文件夹基本操作1.3.1文件夹基本操作文件搜索标题栏下方的搜索框用于在资源管理器中搜索文件，支持文件名、文件类型等的搜索。在搜索框中输入“矩阵”，文件搜索结果如图所示。文件剪切、复制和重命名在目录树上选择文件（或文件夹）并右击它，在弹出的快捷菜单中选择“剪切”或“复制”选项，可以对文件（或文件夹）进行复制，在目录树的其他文件夹下进行粘贴，完成文件（或文件夹）的移动或复制。在目录树上选择文件（或文件夹）并右击它，在弹出的快捷菜单中选择“重命名…”选项，可以对文件（或文件夹）进行重命名。语法高亮与行号显示编辑器自动识别代码语法，对关键字、变量等显示不同颜色，并在左侧显示行号。无需手动开启，新建或打开代码文件后自动生效。1.3.2代码的基本操作悬停显示当将鼠标指针悬停到某些文本上时，会弹出悬停提示窗口，窗口里会显示与鼠标指针下文本相关的信息。1.3.2代码的基本操作代码自动补全当使用代码补全功能时，Syslab会根据当前的项目和文件，以及光标所在的位置，提供一个建议列表。该建议列表包含了在当前的光标位置下，用户可能输入的代码，随着不断地输入字符，Syslab代码编辑器会根据当前输入的字符，对列表进行过滤。1.3.2代码的基本操作1.3.2代码的基本操作调试模式运行代码文件调试工具栏启动调试F5步进F10步入F11步出Shift+F11重启Ctrl+Shift+F5退出调试Shift+F51.3.2代码的基本操作断点调试F启用所有断点禁用所有断点删除所有断点REPL交互式环境Syslab提供了交互式命令行窗口（Read-Eval-Print-Loop，REPL），用于输入命令并查看结果。Syslab的工作区支持对命令行窗口中的模块、类型、宏、函数、变量等元素进行集中显示与编辑。在命令行中输入Julia脚本a=1//2a==0.5usingTyPlotplot(sin.(0:0.1:2pi))1.3.3命令行窗口与工作区的基本操作方式一：使用Pkg模块在命令行输入usingPkg回车加载。首先通过usingPkg命令导入Pkg模块，然后用它的函数管理其他包。方式二：使用包管理模式若进入包管理模式，则需要在命令行窗口中输入“]”后按Enter键，进入特殊的交互式包管理模式。1.3.3命令行窗口与工作区的基本操作1.3.3命令行窗口与工作区的基本操作工作区组成输入框：根据输入内容对工作区显示进行过滤按钮工具栏："清空工作区"和"列设置"等按钮表格树展示区：以表格树形式展示模块、类型、宏、函数、变量等元素进行显示。内容过滤功能u在输入框中输入"u"进行过滤变量数据操作根据输入框中的内容，对表格树节点是否包含输入内容进行过滤。对于工作区中的变量，可以通过双击或右击变量来打开所选内容，左侧会显示变量的表格视图。MWORKS提供专为科学计算与工程领域设计的新一代编程语言平台TyMLang（M语言计算环境），实现与MATLAB的兼容语言级兼容MATLAB系统性地原生支持MATLAB/M语言的核心语法、程序行为和机制。内置常用函数内置基础、数学、图形、控制系统、信号处理、通信等领域常用函数。M与Julia互调用原生访问Julia生态，能够调用Julia的科学计算库。快速复用存量代码无须安装MATLAB和修改源码即可实现存量M代码的兼容运行。1.4从MATLAB到Syslab语言特性差异MATLAB为并行计算引入了parfor、spmd等内置语法，也为面向对象引入了相应语法，而TyMLang尚不支持这些功能。边缘语法差距虽然MATLAB的语法相对简单，但在边缘情况下有大量细节需要注意。需要通过不断测试和修复来逐步完善TyMLang的语法兼容性。内置函数差距MATLAB内置了许多工具箱，包含了大量函数。函数的缺失导致用户在使用TyMLang时可能需要自行实现这些函数，或调用同元软控开发的Julia函数库，带来额外工作量。执行性能差距MATLAB在JIT编译上的长期投入使得其在循环、标量运算和修改数组等方面具有较高的性能。M命令行窗口的启动单击“从语言兼容”功能区中的“启动M命令行窗口”按钮即可进入M语言计算环境。使用M语言计算环境时，与M语言语法一致，可以创建变量、调用函数。1.4.1M命令窗口的启动与路径设置路径设置步骤一：单击“设置M搜索路径”按钮，并单击“添加文件夹”或“添加并包含子文件夹”按钮，在弹出的对话框中选择目标文件夹。步骤二：在“设置路径”对话框中单击“保存”按钮，即可完成M搜索路径的设置。1.4.1M命令窗口的启动与路径设置1.4.2M脚本的运行与调试M脚本运行流程1打开脚本单击"打开"下拉按钮，选择"打开文件"选项，选择目标脚本文件2运行脚本单击"运行"按钮，M语言计算环境执行脚本文件3查看结果命令行窗口输出执行结果，弹出绘图窗口，工作区显示变量值调试模式功能M兼容工具支持以调试模式运行M脚本，提供包括单步执行、断点设置、调用堆栈追踪及变量状态监控等核心调试功能。在编辑器中打开M脚本，在工具栏中首先单击“启动M命令行窗口”按钮，然后单击“调试”按钮或按F5键，即可开启调试运行1.4.3Syslab与M函数对标表MATLAB（基础）函数个数为480，同元工具箱TyBase对标MATLABR2020b版本的函数个数为498，做到全覆盖。TyBase主要覆盖了输入命令、矩阵和数组、数据类型、运算符和基本运算、循环及条件语句、数据导入和分析模块。其中，数据类型的元胞数组类型不支持，数据导入和分析模块支持部分常用函数。Sysplorer是面向多领域工业产品的系统建模与仿真验证平台，全面支持多领域统一建模规范Modelica，采用物理拓扑结构的层次化组织方式，支持物理建模、框图建模和状态机建模等多种可视化建模方法，具备嵌入式代码生成功能，可实现设计、仿真和优化的全流程一体化。支持物理、框图、状态机等多范式系统建模。支持大规模复杂系统的高效仿真求解。提供丰富易用的可视化后处理环境。支持模型驱动的代码生成与实时仿真。1.5Sysplorer介绍方式一：通过Syslab平台打开Sysplorer方式二：直接在桌面上打开Sysplorer1.6Sysplorer的基本操作两种方式打开SysplorerSysplorer物理建模环境如图所示，可以根据需要显示对应的子窗口。1.6.1Sysplorer物理建模1.6.1Sysplorer物理建模模型编辑窗口Sysplorer物理建模环境的主要工作区域，用于建立、编辑和查看模型。库浏览器默认位于界面左侧，以树形结构显示当前已加载模型的层次结构。直流发电机系统视图模型库列表以RC电路为例，演示拖曳建模全过程添加仿真库选择“主页”→“选项”→“模型库”，选择软件启动时预加载的模型库，可以添加TYElectrical。建议同时添加SyslabWorkspace，便于仿真数据交互。新建模型选择“文件”→“新建Modelica模型”→“model...”，在“新建模型”对话框中，填写模型名为“RC”，描述为“RC电路”。单击“确定”按钮，完成模型的创建。1.6.1Sysplorer物理建模参数设置步骤选择组件单击对应的组件，即可弹出组件参数设置对话框。设置电路参数设置电源电压Vdc为10V、R1阻值为20Ω、R2阻值为40Ω、C1容量为1μF。设置开关时序设置S1在t=0时刻闭合、t=0.2s时刻断开。模型检查步骤1打开检查功能选择"主页"→"检查"选项，查看检查输出页面提示信息。3查看检查结果模型检查无误后，可进行模型翻译。选择“建模”→“翻译”选项，查看翻译输出信息。如果没有错误翻译信息，则将模型转化为可执行文件。1.6.1Sysplorer物理建模1.6.1Sysplorer物理建模进行仿真条件设置。选择“主页”→“仿真设置”选项，根据需求选择仿真区间、积分算法等，设置完成后，单击“确定”按钮并保存到模型。开始时间：仿真开始，此处设置为0s。终止时间：仿真结束，此处设置为0.2s。步长：仿真输出点之间的间隔长度。步数：仿真生成的输出间隔的数目，此处设置为500步。类型：此处设置为变步长类型。算法：此处使用Dassl算法。精度：指定每个仿真步长的局部精度，此处设置为0.0001。初始积分步长：Dassl算法为变步长算法，默认积分步长为初始积分步长。确定并保存到模型：将仿真条件设置中的常规设置保存到模型中。1.6.1Sysplorer物理建模在结果查看器中可查看模型仿真进度，仿真结束后可查看模型输出信息。在结果查看器的仿真浏览器中单击变量，可查看变量随时间的变化曲线。1.6.1Sysplorer物理建模之前将电容两端的电压通过ToWorkspace连接到了Syslab，因此仿真结束后，在Syslab的工作区中即可查看电容两端电压的数值及对应的时间。可以将数据直接在Syslab中绘图，或者导出数据进行后处理。1.6.2Sysplorer框图建模Clarke变换数学表达式建模方法打开新模型：启动Sysplorer，从起始页中选择Sysblock模型；或者在Sysplorer环境内，单击“新建模型”下拉按钮，在下拉菜单中选择“Sysblock模型”选项，新建Sysplorer模型。双击新建的Sysblock模型，打开Sysblock编辑器。从模块库中添加模块：Clarke变换将三相静止坐标系映射到两相静止坐标系，以三相电压ua、ub和uc为例，通过Clarke变换可以得到uα和uβ。1.6.2Sysplorer框图建模ua=10sin(2π×50t)

ub=10sin(2π×50t−2π/3)注：该版本中的π等常数没有定义，因此需要在数据字典中对π等常数进行定义。1.6.2Sysplorer框图建模通过模型检查、模型翻译和仿真条件设置，可以得到Clarke变换仿真结果。Sysblock仿真还支持采用函数（Fcn）及C代码（CCaller）等形式进行数学模型的搭建。Sysblock也支持将仿真数据通过ToWorkspace写入Syslab的工作区中。1.6.2Sysplorer框图建模混合建模概念通过综合运用物理建模与控制算法设计的优势，提升系统建模的精确性和仿真效果。物理模型提供三相电压，框图系统负责实现具体算法。实现步骤将Sysblock模型中的电压源模块去掉，换成两个输入端口；然后在原来示波器的地方添加两个输出端口。在Sysplorer物理建模中新建一个空模型，命名为Clarke_Trans，并在用户模型中将Clarke变换Sysblock模型拖入名Clarke_Trans中，在模型库中添加50Hz的正弦交流电压，作为Sysblock的输入。Sysblock的输出通过ToWorkspace组件将数据导入Syslab。双端口输入/输出Clarke变换Sysblock模型基于混合建模的Clarke变换仿真1.6.2Sysplorer框图建模物理模型可在顶层包含Sysblock框图模型，并支持在子系统中包含Sysblock框图模型。目前版本支持在物理模型内嵌套Sysblock框图模型，暂不支持在Sysblock框图模